硫胺素焦磷酸激酶缺失诱发阿尔茨海默病样多病理改变及其机制研究

Our previous study showed that abnormal thiamine metabolism significantly correlates with brain glucose hypometabolism in AD and was independent of β-amyloid (Aβ) deposition. Whether abnormal thiamine metabolism induces AD pathophysiological characteristics and the mechanism of neuronal loss induced by thiamine deficiency are still unknown. In this project, through conditionally knock-outing the key gene of thiamine and glucose metabolism, thiamine pyrophosphate kinase (TPK), in brains, the mouse model with abnormal thiamine metabolism (TPK-/- mouse) is established. Crossing this model with APP/PS1 transgenic mice generated APP/PS1/TPK-/- mice model. Using those models, the effect of abnormal thiamine metabolism on inducing AD pathophysiological characteristics and the mechanism of neuronal loss induced by thiamine deficiency will be investigated by the morphological, biochemical, behavioral, and genetic methods. The research results will further contribute to the understanding of the pathogenesis of AD and provided new therapy target for AD translational research.

我们前期研究结果表明阿尔茨海默病（AD）硫胺素代谢显著异常且与脑葡萄糖代谢障碍密切相关、不受β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积的影响。硫胺素代谢异常是否能诱发AD病理生理特征以及诱发神经元丢失的机制仍有待阐明。本项目通过条件性敲除脑硫胺素代谢关键酶—硫胺素焦磷酸激酶（TPK）建立慢性脑硫胺素代谢障碍小鼠模型，利用该模型与APP/PS1转基因小鼠杂交形成APP/PS1/TPK-/-小鼠模型。利用这些小鼠模型，通过形态学、生化、行为和遗传学等研究方法，探究硫胺素代谢障碍诱发脑Aβ沉积、Tau异常磷酸化、胶质细胞激活等AD多病理生理特征的作用和导致神经元丢失的机制。课题研究成果将有助于促进AD病理损害机制的认识，为建立具有自主知识产权的新型AD转化医学研究平台奠定基础。

脑葡萄糖代谢障碍是阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease, AD）恒有的、且与认知功能损害程度和疾病进展密切关联的主要病理生理学特征。我们的前期研究结果表明特异性硫胺素焦磷酸(thiamine diphosphate, TDP)水平降低是AD恒有的特征，并且与AD脑葡萄糖代谢下降相关。在这里，我们发现将硫胺素转化为TDP的关键酶——硫胺素焦磷酸激酶(thiamine pyrophosphokinase, TPK)的蛋白水平在神经元中富集，并在AD患者的大脑中显著下调。在四种已知的与硫胺素代谢相关的基因中，与对照组相比只有TPK mRNA在AD患者的大脑样本中表现出显著减少。在其他神经退行性疾病中，包括额颞叶痴呆、帕金森病、亨廷顿氏病和肌萎缩性侧索硬化症，这四种基因的mRNA水平都没有显著改变。条件性敲除小鼠脑兴奋性神经元TPK基因显著导致小鼠脑葡萄糖代谢异常和认知功能损害、突触和神经元丢失导致脑萎缩、Aβ沉积和斑块形成、Tau异常磷酸化和神经纤维缠结形成、小胶质和星形胶质细胞激活和神经炎症、微血管形成障碍和外周糖代谢调控障碍等所有人类AD疾病的重要多病理生理特征，为未来AD研究提供了一个极好的小鼠模型。跨种相关性分析显示，cKO小鼠与AD患者的基因图谱相似。这些结果表明，TPK缺乏引起的硫胺素代谢异常对AD的发病至关重要。大脑兴奋性神经元条件敲除Tpk的小鼠将成为AD研究的有用模型。我们的研究为AD的发病机制提供了新的见解，并揭示了新的治疗策略。